農林院校單片機課程知識體系重構與教學實踐

閆勇 陳衛 許正榮 饒元 孟浩

摘要：單片機原理與技術課程是計算機類專業核心課程之一。在新農科建設背景下，農林院校計算機類專業應該結合農業技術發展對信息技術的需要，調整單片機課程教學內容與教學方式。據此，以應用為導向重構單片機教學知識體系，并在理論、、實驗、實踐教學環節采用多種新的教學方式，激發學生的學習單片機的興趣，培養學生綜合運用單片機知識分析解決問題的能力。

關鍵詞：單片機教學;知識體系重構;專題式教學;以應用為導向

中圖分類號：G642

文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）04-0117-02

隨著農業機械化、信息化、智能化發展程度的不斷提高，智能化農業機械、溫室大棚控制、畜牧水產養殖、農業物聯網等領域的農業裝備產品研發，對于農林院校計算機類專業學生單片機開發水平的要求也越來越高。2018年底正式啟動的“新農科”建設也要求充分利用現代信息技術改造升級傳統農科，這代表了現代農林科技發展的新方向新趨勢。在這樣的產業發展需求背景下，農林院校中計算機類專業的單片機課程教學迎來了一次改革的契機。

1 現狀

相對于工科院校而言，通常在以農林科為主的農林院校里，單片機課程的定位比較模糊，在理論與實踐教學過程中存在以下問題。

1）現有單片機教學大綱特色不明顯，與工程實踐脫節，與所在農業院校優勢學科結合不緊密。

目前單片機課程教學大綱大多保持與工科院校一致，教學內容沒有考慮到單片機技術與本校農業學科發展及需求相結合，使得該課程的教學內容設計沒有形成特色，降低了單片機課程的吸引力與應用價值。

2）現有教學內容偏重理論，而實踐不足。缺少實踐、創新的教學環節，缺少外部評價的機制。

單片機課程是一門實踐性很強的課程。目前延用傳統的課堂講授理論知識為主的教學方式，很少在設計電路、編寫軟件這樣的項目實施中邊練邊學?？己朔绞揭约埫婵荚嚍橹?沒有外部的評價機制，檢驗不出實際的教學效果。

3）教學形式陳舊僵化，學生學習比較被動，師生交流較少。由于課堂教學時間有限，教學內容繁多，教學以課堂灌輸為主，學生被動接受知識傳授。老師與學生交流的機會很少，缺乏互動，課下也缺乏有效的溝通方式和平臺。

4）實驗設備落后，實踐教學設計缺乏應用場景。

目前單片機教學實驗設備以實驗箱為主。學生不易理解電路結構，并且由于試驗箱硬件資源所限，難以設計具有新意的實驗、實踐教學方案。

2 重構與實踐

基于在單片機教學過程中出現的以上各種問題，單片機課程教學亟待需要從根本上進行知識體系的重構和教學方式的改革。

2.1 以應用為導向重構單片機知識體系

以單片機技術在農學等相關學科領域的廣泛應用為導向，設計單片機課程的教學目的、教學內容、各教學環節安排，規劃相關課程的聯系與分工，貫穿“知識、能力、素質”協調發展。

單片機課程的教學應該包含理論教學、基礎實驗教學、綜合實踐教學三個環節。其中理論教學大綱需要在保證單片機最小系統基本知識點教學的基礎上，重點增加與農業物聯網建設相結合的農業信息數據采集與傳送等知識內容，為單片機技術找到在現代農業技術發展中的應用場景。增加溫濕度傳感器、土壤含水量、微量元素傳感器、鍵盤顯示器等人機接口、總線技術、Zigbee等無線傳輸技術等內容。實驗環節在保證驗證性實驗的基礎上，繼續增加綜合性設計性實驗項目，如大棚環境溫濕度監測與調控系統、土壤含水率監測及顯示系統等。綜合實踐環節將在實驗室與學校農業試驗田之間開展，課程教學內容來源于試驗田農事操作過程中提出的實際需求。

2.2 多種教學手段促進教學實踐;

單片機課程的理論教學、基礎實驗教學、綜合實踐教學三個環節，各自理論教學內容與實踐教學內容的比重不同，需要有針對性的采用不同的教學方式和手段。

2.2.1 “專題式+混合式"的理論教學

“專題式”教學著眼于教學大綱中教學內容的組織形式。傳統方式是按照教學大綱的要求從前到后按部就班的講解，存在著各知識點彼此獨立不能有機結合解決綜合問題的缺點?！皩ｎ}式教學”在縱橫兩個維度上將單片機知識點結合農業應用場景的需求進行合理的整合提煉。在縱向上以教學結構螺旋反復為指向，走“積極向前，循環上升”之路;橫向上則以教學內容中知識的相互作用為指向，走知識結構與認知結構相結合的道路。專題式教學側重于將一個階段的教學內容進行系統的整合，為學生提供以專題為單位的知識系統梳理和理念深度把握，將陳述性知識、程序性知識與策略性知識三者有機結合、充分展現，將靜態知識賦予了動態意義。

“混合式”教學是著眼于教學過程中教師與學生的角色變化和參與程度而提出的一種教學模式。傳統理論教學是以教師在課堂上單向講授理論知識為主，學生被動接受;教師很難把握學生很難把握學生掌握程度;學生也比較盲目，學習主動性不高?；旌鲜浇虒W，即將在線教學和傳統教學的優勢結合起來的一種“線上”+“線下”的教學。學生預先利用在線學習平臺主動地學習基本知識點，并通過在線測試工具總結記錄掌握情況;在線下，教師根據在線學習平臺反饋的學習情況，有目的的查缺補漏、重點講解之后混合教學把“線上”+“線下”這兩種教學組織形式有機的結合，可以讓學生的學習由淺到深地引向深度學習。

2.2.2 虛擬仿真實驗平臺的實驗教學

單片機實驗課傳統的教學工具是實驗箱。在做實驗時，學生按照說明書提示的方法連線以及下載例程。由于實驗箱是設計好電路并焊接封裝了元器件，學生不容易了解電路結構和軟件運行過程。另外實驗箱投資較大，損耗大，外圍傳感器模塊和執行器件模塊更新補充不及時。并且學生課下沒有試驗箱的輔助無法自主地開展實驗。

Keil+Proteus的虛擬仿實驗真平臺可以替代實驗箱成為功能強大的實驗工具。Keil C51德國Keil software 公司（現已被ARM公司收購）開發的用于8051單片機C51語言編程的集成開發環境，集編輯、編譯、仿真等功能于一體，具有強大的軟件調試功能生，生成的程序代碼運行速度快，所需存儲器空間小，是目前8051單片機應用開發中最優秀的軟件開發工具之一。Proteus是英國Labcenter Electronics公司推出的完全使用軟件手段來對單片機應用系統進行虛擬仿真的軟件工具，可仿真8051系列、PIC12/16/18系列、AVR系列等主流系列單片機以及各種外圍可編程接口芯片。用戶可以不需要硬件樣機，用戶就可以在PC機上對單片機系統進行虛擬仿真。目前Proteus已在包括劍橋大學、斯坦福大學、牛津大學、加州大學在內的數千所高校以及世界各大研發公司中得到廣泛應用。

采用Keil+Proteus的虛擬仿真實驗平臺，可以使學生擺脫硬件實驗條件的束縛，在課堂教學之外采取主動學習的方法，鞏固和加強單片機理論知識的學習和掌握。

2.2.3 “以應用為導向+企業導師””的實踐教學

單片機課程實踐教學環節是最能夠體現工科特點的部分。在這個環節，采用“以應用為導向”的教學指導思想，在教學過程中引入“企業導師”角色。模擬工程開發形式，將學生分組成為團隊，在教師和企業導師的指導下，按照工程化設計規范要求，根據單片機應用系統功能設計硬件電路焊接元器件、編寫軟件代碼并下載到單片機內，最后在焊接好的電路板上調試運行。實踐教學的課題必須圍繞農業信息化、智能化應用的主題來設計，考查學生對理論、實驗教學環節知識點的綜合運用能力。企業導師按照工程項目開發驗收的標準指導和驗收學生的實踐成果。這種“以應用為導向+企業導師”的實踐教學方式，可以使學生體驗單片機應用系統工程項目從功能需求調研到設計、實現的完整過程，培養學生綜合運用單片機知識點分析解決問題的能力，并激發學生的學習興趣，培養團隊合作能力。

3 結論

綜上所述，由于結合了本校農學等優勢學科的應用場景，教學大綱和教學內容經過調整完善，凸顯了其應用特色，教學目標明確，培養目標清晰。在理論、實驗和實踐三個教學環節，分別采用“專題式+混合式”、虛擬仿真實驗平臺、“以應用為導向+企業導師”等教學方法，從注重理論知識的教學逐步過渡到實踐能力的培養，多方面調動了學生的積極性主動性。經過單片機實踐環節的項目開發，學生可以了解系統的硬件電路和軟件程序，并熟練地利用各種電路調試工具和軟件編程技術，培養了相應的技術領域方面的整體系統觀以及能夠進行軟硬件協同設計的貫通能力。同時在這個過程中，還培養了學生綜合分析解決問題的能力、團隊協作能力等多方面能力。

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[通聯編輯：王力]